快速脫纜鉤過(guò)載問(wèn)題分析與解決措施研究

谷文強(qiáng)，周清華

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

引言

巴基斯坦卡西姆LNG碼頭是由中國(guó)企業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)建造的LNG-FSRU雙船并靠碼頭，共布置1個(gè)工作平臺(tái)、2個(gè)靠船墩和4個(gè)系纜墩。在碼頭投入使用后，當(dāng)船舶靠泊時(shí)發(fā)現(xiàn)所有快速脫纜鉤在引纜過(guò)程中均不時(shí)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)停車故障；該故障在電動(dòng)機(jī)復(fù)位后停止20 s后可以重新啟動(dòng)，但是還有停車情況發(fā)生，針對(duì)這一情況，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究，找出故障原因并給出解決方案，為其他LNG碼頭的快速脫纜鉤選型提供重要參考。

1 快速脫纜鉤的布置和選型

根據(jù)《裝卸油品碼頭防火設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ237-99）[1]，裝卸甲、乙類油品一級(jí)碼頭宜設(shè)置快速脫纜裝置，巴基斯坦卡西姆LNG碼頭靠泊的最大FSRU船為173 400 m3FSRU船，外側(cè)靠泊的最大LNG運(yùn)輸船為267 000 m3LNG船，碼頭在系纜墩和靠船墩上均設(shè)置了快速脫纜鉤。

根據(jù)石油公司國(guó)際海事論壇（OCIMF）規(guī)范《Mooring Equipment Guidelines》[2]進(jìn)行雙船并靠的系纜的初步布置，但是本項(xiàng)目位于航道邊，主要承受較大的縱向水流力和波浪力，所以不能完全按照OCIMF規(guī)范進(jìn)行系泊布置。根據(jù)《基于國(guó)內(nèi)外規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的海港工程總平面設(shè)計(jì)指南》[3]，在施工圖階段系泊布置應(yīng)結(jié)合系泊試驗(yàn)確定，根據(jù)最終的系泊試驗(yàn)結(jié)果，F(xiàn)SRU的纜繩全部系到碼頭系纜墩和靠船墩上，外側(cè)的LNG運(yùn)輸船的艏艉纜系到碼頭兩側(cè)系纜墩上會(huì)讓系纜力分布更均勻合理，外側(cè)LNG運(yùn)輸船其他纜繩可以按照OCIMF規(guī)范系到內(nèi)側(cè)的FSRU船上。因此最終巴基斯坦卡西姆LNG碼頭每個(gè)靠船墩上各布置了1套3鉤快速脫纜鉤用于FSRU船舶的倒纜系纜，內(nèi)側(cè)兩個(gè)系纜墩各布置了1套4鉤快速脫纜鉤用于FSRU船的橫纜系纜，外側(cè)兩個(gè)系纜墩各布置了2套快速脫纜鉤，其中內(nèi)側(cè)的3鉤快速脫纜鉤用于FSRU的艏艉纜系纜，最外側(cè)的2鉤快速脫纜鉤用于外側(cè)靠泊的LNG運(yùn)輸船的艏艉纜系纜。

根據(jù)中國(guó)規(guī)范《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）[4]規(guī)定，系纜力的標(biāo)準(zhǔn)值不應(yīng)大于纜繩的破斷力。但是根據(jù)英國(guó)規(guī)范 6349-2:2010《Maritime works -Part 2:Code of Practice for the Design of Quay Walls,Jetties and Dolphins》[5]規(guī)定，岸上系纜設(shè)備的安全工作荷載應(yīng)不小于使用該鉤的纜繩的破斷力。根據(jù)英國(guó)規(guī)范《Maritime Works-Part 1-2:General -Code of Practice for Assessment of Actions》[6]，對(duì)于大型油碼頭、液化天然氣碼頭、散貨碼頭和集裝箱碼頭，在遭遇50年一遇或者100年一遇的環(huán)境條件時(shí)，船舶一般不會(huì)仍然系泊在碼頭，正常情況下碼頭的環(huán)境條件限制條件應(yīng)與船舶系纜設(shè)備的能力一致。因此碼頭上的系纜設(shè)備的安全工作荷載需要滿足船舶上的系纜設(shè)備的最大能力，即快速脫纜鉤的安全工作荷載應(yīng)不小于使用該鉤的纜繩破斷力。業(yè)主提供的卡西姆LNG碼頭船舶纜繩參數(shù)如表1所示，LNG運(yùn)輸船的纜繩破斷力為137 t，F(xiàn)SRU的纜繩破斷力為124 t，因此快速脫纜鉤單鉤安全工作荷載取為150 t。對(duì)于快速脫纜鉤的額定拉力、功率和引纜速度，在國(guó)內(nèi)外規(guī)范中均沒有選取標(biāo)準(zhǔn)，在項(xiàng)目施工圖設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，要求按照額定拉力20 kN和引纜速度10～15 m/min選取配置快速脫纜鉤。根據(jù)要求，最終選用了特瑞堡的快速脫纜鉤，選取的電動(dòng)絞盤功率為5.5 kW，絞盤直徑305 mm，額定拉力可以達(dá)到20 kN，額定轉(zhuǎn)速為1 465 rpm，引纜速度可以達(dá)到15.6 m/min。當(dāng)達(dá)到最大額定拉力時(shí)，快速脫纜鉤的絞盤電動(dòng)機(jī)的電壓為400 VAC，電流為10.7 A，電動(dòng)機(jī)通過(guò)熱繼電器保護(hù)，一旦遇到較大荷載，電動(dòng)機(jī)過(guò)載、過(guò)熱后熱繼電器會(huì)停車保護(hù)電動(dòng)機(jī)。

表1 巴基斯坦卡西姆LNG碼頭船舶纜繩參數(shù)

FSRU船舶使用的是鋼纜，本項(xiàng)目LNG運(yùn)輸船的靠泊船型為 125 000～267 000 m3LNG船，217 000 m3LNG船和267 000 m3LNG船只使用HMPE纜繩（屬于纖維纜），而對(duì)于125 000～173 400 m3LNG船HMPE和鋼纜兩種類型的纜繩均有使用。鋼纜比HMPE纜繩要重很多，在引纜時(shí)產(chǎn)生的拉力會(huì)更大。

2 FSRU和LNG船舶的系纜問(wèn)題

FSRU船舶在系纜時(shí)，系纜順序?yàn)橄认档估|、然后系橫纜、最后系艏艉纜。而外側(cè)的LNG運(yùn)輸船在靠泊時(shí)，僅艏纜和艉纜需要系到碼頭兩端的快速脫纜鉤，其他纜繩均系到FSRU船舶上。

在173 400 m3FSRU船第一次進(jìn)行靠泊系纜作業(yè)時(shí)，在引纜過(guò)程中，所有快速脫纜鉤的絞盤電動(dòng)機(jī)均不時(shí)發(fā)生停車故障，該故障復(fù)位后約30 s后電動(dòng)機(jī)可以重新啟動(dòng)。而當(dāng)?shù)谝凰?17 000 m3LNG船靠泊到碼頭并進(jìn)行系纜作業(yè)時(shí)，在將艏纜和艉纜系到兩側(cè)系纜墩上的快速脫纜鉤時(shí)，在引纜過(guò)程中兩個(gè)快速脫纜鉤也發(fā)生了絞盤電動(dòng)機(jī)停車故障。針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了三次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)研究工作。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

3.1 第一次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)研究

在FSRU第一次靠泊系纜時(shí)發(fā)現(xiàn)所有快速脫纜鉤絞盤均不時(shí)發(fā)生停車故障后一周，項(xiàng)目業(yè)主巴基斯坦ENGRO公司進(jìn)行了第一次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，使用FSRU備用纜繩模擬FSRU引纜過(guò)程，173 400 m3FSRU使用直徑42 mm、破斷力為124 t的鋼纜，分別針對(duì)碼頭兩端最外側(cè)的兩個(gè)快速脫纜鉤MD1-1和MD4-2進(jìn)行檢測(cè)（用于外側(cè)LNG運(yùn)輸船的艏艉纜系纜，檢測(cè)不影響FSRU系泊），保持引纜速度15.6 m/min，結(jié)果均發(fā)生了快速脫纜鉤電動(dòng)機(jī)停車故障，在施加檢測(cè)荷載前和施加檢測(cè)荷載后發(fā)生故障時(shí)電動(dòng)機(jī)內(nèi)的電壓和電流檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 快速脫纜鉤的第一次檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)計(jì)算，當(dāng)施加檢測(cè)荷載時(shí)，快速脫纜鉤MD1-1的電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率為9.7 kW（對(duì)應(yīng)拉力約為35.5 kN），MD4-2的電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率為9.3 kW（對(duì)應(yīng)拉力約為34.0 kN）。所以第一次檢測(cè)的結(jié)果表明快速脫纜鉤的實(shí)際功率和引纜拉力均超過(guò)了額定功率和額定拉力，最終導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)載、過(guò)熱后熱繼電器啟動(dòng)停車。停車約20～30 s后再次自動(dòng)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)的電流降低到6.6～6.9 A。

3.2 第二次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)研究

在第一艘217 000 m3LNG船靠泊時(shí)，項(xiàng)目業(yè)主巴基斯坦ENGRO公司進(jìn)行了第二次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。217 000 m3LNG船大部分纜繩系到FSRU船上，2條艏纜需要系到碼頭上的快速脫纜鉤MD1-1，2條艉纜需要系到碼頭上的快速脫纜鉤 MD4-2，217 000 m3LNG船使用的是直徑44 mm的HMPE纖維纜，保持引纜速度15.6 m/min，在引纜過(guò)程中，兩個(gè)快速脫纜鉤均不時(shí)發(fā)生了電動(dòng)機(jī)停機(jī)故障，也有部分纜繩引纜時(shí)沒有發(fā)生故障的情況。

快速脫纜鉤MD1-1發(fā)生停車故障時(shí)電動(dòng)機(jī)內(nèi)的電壓為417 V，電流為11.7 A，根據(jù)公式（1）計(jì)算得出電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率為7.17 kW（對(duì)應(yīng)拉力約為26.2 kN），快速脫纜鉤MD4-2發(fā)生停車故障時(shí)電動(dòng)機(jī)內(nèi)的電壓為402 V，電流為12.1 A，根據(jù)公式（1）計(jì)算得出電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率為7.15 kW（對(duì)應(yīng)拉力約為 26.1 kN）。第二次檢測(cè)的結(jié)果表明，217 000 m3LNG船靠泊時(shí)，針對(duì)HMPE纜繩的引纜，快速脫纜鉤的實(shí)際功率和引纜拉力仍然超過(guò)了額定功率和額定拉力，最終導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)載、過(guò)熱后熱繼電器啟動(dòng)停車。

3.3 第三次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)研究

在收到項(xiàng)目業(yè)主巴基斯坦ENGRO公司的兩次檢測(cè)結(jié)果報(bào)告后，設(shè)備供應(yīng)商特瑞堡公司派專業(yè)檢測(cè)人員去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了第三次檢測(cè)，第三次檢測(cè)也是針對(duì)某一艘217 000 m3LNG船靠泊時(shí)的引纜情況進(jìn)行檢測(cè)。在引纜過(guò)程中，特瑞堡檢測(cè)人員檢測(cè)到MD1-1和MD4-2兩個(gè)快速脫纜鉤電動(dòng)機(jī)內(nèi)的最大電流為7.3 A，對(duì)應(yīng)電壓為408 V，根據(jù)公式（1）計(jì)算得出電動(dòng)機(jī)內(nèi)實(shí)際功率約為4.37 kW（對(duì)應(yīng)拉力約為16.0 kN），并未超過(guò)額定功率和額定拉力，在兩個(gè)快速脫纜鉤引纜過(guò)程中并未發(fā)生任何停車故障。

特瑞堡檢測(cè)人員同時(shí)記錄了引纜時(shí)水位距離系纜墩頂面約4 m。

4 檢測(cè)結(jié)果分析

當(dāng)FSRU船舶第一次靠泊碼頭，進(jìn)行引纜作業(yè)時(shí)所有快速脫纜鉤均不時(shí)發(fā)生了停車故障，在一周后開展了第一次檢測(cè)，使用FSRU船的鋼纜進(jìn)行引纜檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)引纜過(guò)程中電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率和拉力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)額定功率和額定拉力，因此導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過(guò)載停車故障。而第二次和第三次均是針對(duì)217 000 m3LNG船的HMPE纜繩的引纜過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)，第二次檢測(cè)得出的電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率和拉力均超過(guò)額定功率和額定拉力導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)停車故障，而第三次檢測(cè)沒有發(fā)生任何故障。

幾次檢測(cè)有一定差異，綜合分析原因如下：

1）纜繩的材料和重量不同，鋼纜要比HMPE纖維纜重很多，因此引纜時(shí)產(chǎn)生的拉力會(huì)更大，在FSRU靠泊引纜時(shí)所有的快速脫纜鉤均不時(shí)發(fā)生過(guò)載停車故障，第一次檢測(cè)結(jié)果也驗(yàn)證了這一情況。而HMPE纖維纜比較輕，引纜時(shí)產(chǎn)生的拉力小很多。

2）碼頭墩臺(tái)與水位之間的高差對(duì)于引纜時(shí)的荷載有一定影響，在第三次檢測(cè)時(shí)，船舶靠泊時(shí)為高潮位，水位較高，浮在水面的纜繩距離系纜墩距離較小，在引纜時(shí)所需要的拉力較小。第一次和第二次檢測(cè)并未關(guān)注水位情況。但是當(dāng)水位較低時(shí)，碼頭墩臺(tái)與水位之間的高差增加，引纜時(shí)所需要的拉力也會(huì)增加。

3）在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)引纜時(shí)最大荷載往往發(fā)生在船舶纜繩到達(dá)墩臺(tái)邊緣時(shí)，纜繩與系纜墩邊緣之間的摩擦力會(huì)增加引纜拉力（本項(xiàng)目系纜墩和靠船墩的前沿已經(jīng)設(shè)計(jì)了鋼圓角防摩擦），這個(gè)摩擦力取決于纜繩與墩臺(tái)前沿的接觸頻率和纜繩重量，纜繩與墩臺(tái)前沿接觸較少時(shí)引纜拉力會(huì)較小，而接觸較多時(shí)引纜拉力會(huì)較大，另外重量越大的纜繩與墩臺(tái)前沿的摩擦力也會(huì)越大，所以鋼纜比HMPE纖維纜的摩擦力大，快速脫纜鉤引纜過(guò)程中產(chǎn)生的引力也會(huì)更大。

4）快速脫纜鉤絞盤的腳踏開關(guān)的操作也有一定影響，在引纜過(guò)程中頻繁的啟動(dòng)和關(guān)閉快速脫纜鉤絞盤也會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)載停車。因此第三次檢測(cè)沒有出現(xiàn)任何過(guò)載停車問(wèn)題，也可能是因?yàn)樘厝鸨z測(cè)人員對(duì)于設(shè)備的操作更為熟練，而碼頭作業(yè)人員在FSRU船舶和LNG運(yùn)輸船第一次靠泊時(shí)對(duì)于系纜作業(yè)和快速脫纜鉤的使用并不熟練。

5 解決方案研究

對(duì)于巴基斯坦卡西姆LNG碼頭快速脫纜鉤過(guò)載停車問(wèn)題，需要增加快速脫纜鉤絞盤的額定拉力，通過(guò)各方溝通過(guò)提出了兩個(gè)解決方案。

1）方案一：更換功率更大的電動(dòng)機(jī)。更換額定功率為11 kW的電動(dòng)機(jī)，絞盤直徑305 mm和引纜速度15.6 m/min保持不變，則額定拉力可以增加到40.1 kN。根據(jù)三次檢測(cè)結(jié)果，額定拉力40.1 kN的電動(dòng)機(jī)可以滿足FSRU船舶和LNG運(yùn)輸船所有纜繩的引纜拉力要求，不會(huì)發(fā)生過(guò)載停車問(wèn)題。

2）方案二：更換更小的絞盤。將絞盤直徑從305 mm更換為 205 mm，則絞纜速度變?yōu)?0.48 m/min，額定拉力增加到30.1 kN。根據(jù)三次檢測(cè)結(jié)果，額定拉力30.1 kN能夠滿足HMPE纖維纜的引纜拉力要求，但是當(dāng)針對(duì)鋼纜進(jìn)行引纜時(shí)，還是可能發(fā)生過(guò)載問(wèn)題。如果進(jìn)一步減小絞盤尺度，絞纜速度會(huì)小于10 m/min，作業(yè)效率大大降低，作業(yè)效率降低較多是業(yè)主不能夠接受的。

綜上分析，最終選擇方案一，即更換額定功率為11kW、額定拉力為40.1 kN的電動(dòng)機(jī)，絞盤直徑305 mm和引纜速度15.6 m/min保持不變，因此作業(yè)效率并未降低。在更換電動(dòng)機(jī)后，所有快速脫纜鉤均未再發(fā)生過(guò)載停車故障。

6 結(jié)語(yǔ)

快速脫纜鉤絞盤的額定拉力與電動(dòng)機(jī)功率、絞盤尺度和絞纜速度均有關(guān)系，而使用絞盤進(jìn)行引纜時(shí)的實(shí)際拉力取決于纜繩特性和重量、墩臺(tái)和水位的高差、纜繩與墩臺(tái)前沿的摩擦力和操作人員對(duì)于設(shè)備使用的熟練度等因素。對(duì)于快速脫纜鉤的選型問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外規(guī)范均沒有給出相關(guān)規(guī)定，本項(xiàng)目結(jié)合工程實(shí)際問(wèn)題和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行了深入研究分析，最終給出了LNG碼頭快速脫纜鉤選型問(wèn)題的解決方案，可以供其他相關(guān)項(xiàng)目參考。